硬件编程 · CO₂ 学习专注监测台灯 · 2026-10-23

需求洞察

目标用户是居家自习的中学生、大学生、备考人群和远程办公者。真实痛点是：书桌门窗关闭后 CO₂ 逐渐升高，人却很难立刻察觉，常见表现是犯困、烦躁、注意力涣散；番茄钟只能提醒休息，不能反映空气环境；商用 CO₂ 监测仪价格偏高，也缺少与台灯联动的即时反馈。这个项目值得做，是因为台灯本来就是书桌必备品，把传感、灯光和蓝牙记录叠加进去，不额外占用桌面空间；用颜色变化提示通风或休息，比数字仪表更不打断学习；成本低，便于复制和迭代。

方案设计

感知层由 SCD41 与按键组成。SCD41 每 5 秒读取 CO₂、温度和湿度，I2C 地址通常为 0x62；按键用于短按静音、长按进入校准流程。控制层由 ESP32-C3 完成滤波、阈值分级、按键状态机和蓝牙数据封装。执行层是 12 位 WS2812 灯环：CO₂ 低于 800ppm 显示绿色，800 至 1200ppm 显示黄色，高于 1200ppm 显示红色；夜间降低亮度，静音时熄灭灯环。日志与联网层通过低功耗蓝牙自定义服务上报“CO₂,温度,湿度”，串口同步输出日志；不依赖路由器，隐私风险低。供电采用 USB-C 5V，灯环亮度限制在较低水平，避免电流过大。

物料清单

接线与结构

SCD41 的 VCC 接 3V3，GND 接 GND，SDA 接 GPIO8，SCL 接 GPIO9；WS2812 的 VCC 接 5V，GND 接 GND，DIN 接 GPIO10，数据线串联约 330Ω 电阻，电源端并联 1000µF 电容；按键一端接 GPIO3，另一端接 GND，使用内部上拉。结构上，灯环固定在灯臂顶部并加遮光片，SCD41 放在底座靠近桌面处，外壳开透气孔并远离发热元件；按键布置在底座侧面。按给定接线即可工作，无需改脚；若灯环数据不稳定，可加电平转换，但会增加成本，因此优先缩短数据线并做好共地。

核心代码

#include <Wire.h>
#include <SensirionI2CScd4x.h>
#include <Adafruit_NeoPixel.h>
#include <BLEDevice.h>
#include <BLEServer.h>
#include <BLEUtils.h>
#include <BLE2902.h>

#define SDA_PIN 8
#define SCL_PIN 9
#define LED_PIN 10
#define KEY_PIN 3
#define LED_COUNT 12

SensirionI2CScd4x scd4x;
Adafruit_NeoPixel strip(LED_COUNT, LED_PIN, NEO_GRB + NEO_KHZ800);
BLEServer* pServer = nullptr;
BLECharacteristic* pChar = nullptr;
uint16_t co2 = 0;
float temp = 0, hum = 0;
unsigned long lastRead = 0, lastKeyTime = 0;
bool muted = false;
int lastKey = HIGH;

void setRing(uint8_t r, uint8_t g, uint8_t b) {
  for (int i = 0; i < LED_COUNT; i++) strip.setPixelColor(i, strip.Color(r, g, b));
  strip.show();
}

void updateColor(uint16_t v) {
  if (muted) { setRing(0, 0, 0); return; }
  if (v < 800) setRing(0, 80, 20);
  else if (v < 1200) setRing(120, 70, 0);
  else setRing(160, 0, 0);
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  Wire.begin(SDA_PIN, SCL_PIN);
  strip.begin();
  strip.setBrightness(60);
  strip.show();
  scd4x.begin(Wire);

  pServer = BLEDevice::createServer();
  BLEService* pService = pServer->createService("12345678-1234-1234-1234-1234567890ab");
  pChar = pService->createCharacteristic(
    BLECharacteristic::PROPERTY_READ | BLECharacteristic::PROPERTY_NOTIFY
  );
  pChar->addDescriptor(new BLE2902());
  pService->start();
  BLEAdvertising* pAdv = BLEDevice::getAdvertising();
  pAdv->addServiceUUID(pService->getUUID());
  pAdv->start();
}

void loop() {
  int key = digitalRead(KEY_PIN);
  if (key == LOW && lastKey == HIGH && millis() - lastKeyTime > 200) {
    muted = !muted;
    lastKeyTime = millis();
  }
  lastKey = key;

  if (millis() - lastRead > 5000) {
    lastRead = millis();
    uint16_t v; float t, h;
    if (scd4x.readMeasurement(v, t, h) == 0 && v > 0) {
      co2 = v; temp = t; hum = h;
    }
    updateColor(co2);
    String payload = String(co2) + "," + String(temp, 1) + "," + String(hum, 1);
    pChar->setValue(payload.c_str());
    if (pServer->getConnectedCount() > 0) pChar->notify();
    Serial.println(payload);
  }
}